三相多功能电力仪表的研究与设计

昆明理工大学津桥学院电气与信息工程学院 张兴超 王 陆

1.引言

随着电力工业的飞速发展，“智能电网”被逐渐运用于电力系统中解决电能使用的诸多问题。作为智能电网末端的监测单元，智能电力仪表主要用于采集电压、电流、频率、相位、功率和电能等电力基础信息，以提高电力资源的利用率。当前大规模集成电路的广泛应用，使得电力仪表已从简单的零部件发展到了集多种功能于一体的集成部件型式。电力行业对其丰富的功能性要求也赋予了电力仪表更多的职能。

传统电力监控仪表广泛采用的设计方案包括三种形式：一是SOC芯片架构，硬件结构简单、性能好，但大数据量的处理能力较弱，且系统功能具有突出的局限性；二是单MCU结构，具有调理电路复杂、硬件设计困难、软件处理数据量大等缺点；三是MCU+A/D采样芯片混合结构，需要扩展电路、增加同步程序，且测量精度低、开发成本高①。

鉴于此，本文提出了一种基于STM32+ATT7022E的智能化三相多功能电力仪表的设计方案。其硬件结构简单、软件功能性强、测量精度高。通过二者的配合使用，可以满足智能电力仪表宽量程、高精度、低功耗、智能化和网络化的要求；具有一定的可行性，便于工程实现。

图1 系统整体结构框图

2.系统的整体结构

适用于三相三线制和三线四线制的智能化电力仪表应具有多样性的功能，包括电力参数的测量、通信、显示、报警、存储、人机交互功能和输入输出功能等。结合系统的结构特点与设计要求，本文采用了模块化的设计思想对STM32+ATT7022E多功能电力仪表的整体结构进行了设计。系统整体结构框图如图1所示。

3.多功能电力仪表的硬件设计

根据系统整体硬件结构设计框图，基于模块化设计思想的STM32+ATT7022E三相多功能电力仪表主要由主控芯片、电能计量芯片、输入输出电路、采样电路、通信电路、辅助电源、存储单元、按键及显示单元等组成。

本系统选择意法半导体公司基于ARM32位的增强型STM-32F103C8T6芯片作为主控芯片。该器件拥有20K的SRAM和64K的Flash程序存储器，工作电压为2.0-3.6V，时钟频率达72MHz；内置4个驱动单元和4个被动单元，并可通过系统总线控制芯片的所有外设。另外，该芯片内部还自带RC振荡器、温度传感器、可编程电压检测器，同时具有长时间存储数据、上电断电复位等功能。

作为一种专用电能计量芯片，ATT7022E可用于测量三相三线制和三线四线制的电能。该器件测量误差小、精度高，且内部集成了参考电压电路、各类数字信号处理电路和ADC模块等；其电源电压为3.3V，可通过SPI接口与MCU实现通信，具有实时获取采样数据，进行谐波分析的功能②。

三相多功能电力仪表输入输出电路含4路光耦输入和2路继电器输出。其中，光耦输入电路包括有源与无源两种不同形式接法，主要用于刀闸和断路器位置信号、断路器脱扣信号等状态信息的监测。继电器输出电路均为无源接法，其容量为AC 250V/5A，DC 30V/5A；由STM32F103C8T6芯片通过控制I/O引脚的高低电平形式决定继电器闭合断开状态。

采样电路主要由三相电压与电流的采集、电压与电流互感器、信号调理电路组成。利用电压电流互感器可将原电压电流信号变换成小信号以满足ATT7022E对电压的要求，结合信号调理电路的使用可将电流信号转换成电压信号形式以供给电能计量芯片的ADC模块进行数据处理。为满足输入输出信号的测量需求，本设计选择的高精度互感器参数如下：电压互感器ZMPT107：额定输入输出2mA，精度0.2%，线性度≤0.2%，角差≤45°；电流互感器ZMCT102：额定输入5A，额定输出2.5mA，精度与线性度0.2%，角差≤20°③。

通信电路采用的是RS-485总线形式，该通信方式具有接线简单、传输距离远、稳定性好、复杂环境适应性强等优点。通过RS-485通信电路可使该电力仪表具有数据通信和远程监控功能。另外，带隔离功能的ISO3082半双工差分总线式RS-485接收器芯片的使用可实现信号传输与仪表硬件电路的隔离；能有效的减少通信传输线路的干扰信号，提高了仪表硬件电路的工作稳定性。

图2 系统主程序流程图

仪表的辅助电源采用的是小体积、低成本、高效率，且具有宽幅电压输入的开关电源。综合考虑系统稳定性和仪表小型化的需求，电源核心电路采用AC/DC模块电源进行设计。多功能电力仪表对读写速度和次数都有着较高的要求，为了满足系统对存储功能的要求，本设计选择FRAM铁电存储器用于仪表的存储单元。按键及显示单元主要用于实现仪表的人机交互功能；其中，显示模块采用的是TFT-LCD；按键电路则通过软硬件消抖方法的配合使用保证其可靠性。

4.多功能电力仪表的软件设计

多功能电力仪表的软件结构由主程序和若干子程序组成；其中，主程序用于系统初始化、资源分配以及子程序的调度管理等；而子程序主要用于实现各硬件模块的功能。本系统软件采用C语言和循环体+中断的软件结构进行设计，主要包括：系统初始化、电力参量测量、谐波分析、通信、TFT-LCD显示及数据存储等功能。其系统主程序流程图如图2所示。

5.结语

电力系统自动化程度的提高使得智能化和高精度成为了现代多功能电力仪表的基本要求。本文从硬件结构和软件设计的角度详细介绍了智能电力仪表的设计。提出了一种基于STM32+ATT7022E的三相多功能电力仪表的设计方案。其硬件结构简单、软件功能性强、测量精度高；可以满足智能电力仪表宽量程、高精度、低功耗、智能化和网络化的要求；具有一定的可行性，便于工程实现。

引文

①蒋海鹏.基于STM32和ADE7878的多功能电力监控仪表的设计与实现[D].广西大学,2017.

②李天培,陈冲.采用ATT7022E和MK02的多功能综合电力仪表设计[J].福建水力发电,2017(02):24-27.

③曾志超.基于STM32的多功能电力仪表的设计与实现[D].贵州大学,2017.